細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削加工研究

引言
    在糧油機(jī)械的加工過(guò)程中，有很多零件的長(zhǎng)徑比l/d>20。例如：高方平篩的主轉(zhuǎn)動(dòng)軸、蝶片滾筒精選機(jī)的蝶片轉(zhuǎn)動(dòng)軸等。通常把這類(lèi)零件稱(chēng)之為細(xì)長(zhǎng)軸。這類(lèi)零件一般在車(chē)床上進(jìn)行加工。在車(chē)削過(guò)程中，由于其剛性差，在切削力和切削熱的作用下，細(xì)長(zhǎng)軸很容易產(chǎn)生彎曲變形，這樣就破壞了刀具和零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，使加工出來(lái)的細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生中間粗、兩頭細(xì)的形狀，嚴(yán)重影響零件的加工精度.同時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形后，還會(huì)引起工藝系統(tǒng)振動(dòng)，影響零件的粗糙度。
1 引起細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形的因素
    在車(chē)床上車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸采用的傳統(tǒng)裝夾方式主要有兩種：一種方式是細(xì)長(zhǎng)軸的一端用卡盤(pán)夾緊，另一端用車(chē)床尾架頂尖支承(一夾一頂)；另一種方式是細(xì)長(zhǎng)軸的兩端均由頂尖支撐(雙頂尖)。作者主要分析一夾一頂?shù)难b夾方式.其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 一夾一頂裝夾方式及力學(xué)模型

通過(guò)分析研究，車(chē)削引起細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的原因主要有：
1) 切削力導(dǎo)致變形
    在車(chē)削過(guò)程中，產(chǎn)生的切削力可以分解為軸向切削力PX、徑向切削力PY及切向切削力PZ。不同的切削力對(duì)車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)產(chǎn)生彎曲變形的影響是不同的。
徑向切削力PY的影響
    徑向切削力是垂直作用在通過(guò)細(xì)長(zhǎng)軸軸線水平平面內(nèi)的，由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，徑向力將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸頂彎，使其在水平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形.徑向切削力對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的影響，見(jiàn)圖1。
軸向切削力PX的影響
    軸向切削力是平行作用在細(xì)長(zhǎng)軸軸線方向上的，它對(duì)工件形成一個(gè)彎矩。對(duì)于一般的車(chē)削加工，軸向切削力對(duì)工件彎曲變形的影響并不大，可以忽略。但是由于細(xì)長(zhǎng)軸的剛性較差，其穩(wěn)定性也較差，當(dāng)軸向切削力超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，將會(huì)把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎而發(fā)生縱向彎曲變形。如圖2所示。

圖2 軸向切削力的影響及力學(xué)模型

2) 切削熱產(chǎn)生的影響
    車(chē)削加工產(chǎn)生的切削熱，會(huì)引起工件熱伸長(zhǎng)。由于在車(chē)削過(guò)程中，卡盤(pán)和尾架頂尖都是固定不動(dòng)的，因此兩者之間的距離也是固定不變的。這樣細(xì)長(zhǎng)軸受熱后的軸向伸長(zhǎng)量受到限制，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形。
    因此可以看出，提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上就是控制工藝系統(tǒng)的受力及受熱變形的問(wèn)題。
2 提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度的措施
   在細(xì)長(zhǎng)軸加工過(guò)程中，為提高其加工精度，要根據(jù)不同的生產(chǎn)條件，采取不同的措施，以提高細(xì)長(zhǎng)軸的加工精度。
1) 選擇合適的裝夾方法
    在車(chē)床上車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸采用的兩種傳統(tǒng)裝夾方式中，采用雙頂尖裝夾，工件定位準(zhǔn)確，容易保證同軸度。但用該方法裝夾細(xì)長(zhǎng)軸，其剛性較差，細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形較大，而且容易產(chǎn)生振動(dòng).因此只適宜于安裝長(zhǎng)徑比不大、加工余量較小、同軸度要求較高的工件。
    加工細(xì)長(zhǎng)軸通常采用一夾一頂?shù)难b夾方式。但是在該裝夾方式中，如果頂尖頂?shù)锰�緊，除了可能將細(xì)長(zhǎng)軸頂彎外，還能阻礙車(chē)削時(shí)細(xì)長(zhǎng)軸的受熱伸長(zhǎng)，導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸受到軸向擠壓而產(chǎn)生彎曲變形。另外卡爪夾緊面與頂尖孔可能不同軸，裝夾后會(huì)產(chǎn)生過(guò)定位，也能導(dǎo)致細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生彎曲變形.因此采用一夾一頂裝夾方式時(shí)，頂尖應(yīng)采用彈性活頂尖，使細(xì)長(zhǎng)軸受熱后可以自由伸長(zhǎng)，減少其受熱彎曲變形；同時(shí)可在卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸之間墊入一個(gè)開(kāi)口鋼絲圈，以減少卡爪與細(xì)長(zhǎng)軸的軸向接觸長(zhǎng)度，消除安裝時(shí)的過(guò)定位，減少?gòu)澢�變形。如圖3所示。

圖3 一夾一頂裝夾方式的改進(jìn)

2) 直接減少細(xì)長(zhǎng)軸受力變形
采用跟刀架和中心架
    采用一夾一頂?shù)难b夾方式車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸，為了減少?gòu)较蚯邢髁��?duì)細(xì)長(zhǎng)軸彎曲變形的影響，傳統(tǒng)上采用跟刀架和中心架，相當(dāng)于在細(xì)長(zhǎng)軸上增加了一個(gè)支撐，增加了細(xì)長(zhǎng)軸的剛度，可有效地減少?gòu)较蚯邢髁��?duì)細(xì)長(zhǎng)軸的影響。
采用軸向拉夾法車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸
    采用跟刀架和中心架，雖然能夠增加工件的剛度，基本消除徑向切削力對(duì)工件的影響。但還不能解決軸向切削力把工件壓彎的問(wèn)題，特別是對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的細(xì)長(zhǎng)軸，這種彎曲變形更為明顯。因此可以采用軸向拉夾法車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸。軸向夾拉車(chē)削是指在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)軸的一端由卡盤(pán)夾緊，另一端由專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的夾拉頭夾緊，夾拉頭給細(xì)長(zhǎng)軸施加軸向拉力，如圖4所示。

圖4 軸向夾拉車(chē)削及力學(xué)模型

     在車(chē)削過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)軸始終受到軸向拉力，解決了軸向切削力把細(xì)長(zhǎng)軸壓彎的問(wèn)題。同時(shí)在軸向拉力的作用下，會(huì)使細(xì)長(zhǎng)軸由于徑向切削力引起的彎曲變形程度減�。谎a(bǔ)償了因切削熱而產(chǎn)生的軸向伸長(zhǎng)量，提高了細(xì)長(zhǎng)軸的剛性和加工精度。
采用反向切削法車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸
     反向切削法是指在細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削過(guò)程中，車(chē)刀由主軸卡盤(pán)開(kāi)始向尾架方向進(jìn)給，如圖5所示。

圖5 反向切削法加工及力學(xué)模型

     這樣在加工過(guò)程中產(chǎn)生的軸向切削力使細(xì)長(zhǎng)軸受拉，消除了軸向切削力引起的彎曲變形。同時(shí)，采用彈性的尾架頂尖，可以有效地補(bǔ)償?shù)毒咧廖布芤欢蔚墓ぜ�的受壓變形和熱伸長(zhǎng)量，避免工件的壓彎變形。
    采用雙刀車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸改裝車(chē)床中溜板，增加后刀架，采用前后兩把車(chē)刀同時(shí)進(jìn)行車(chē)削，如圖6所示。

圖6 雙刀加工及力學(xué)模型

     兩把車(chē)刀，徑向相對(duì)，前車(chē)刀正裝，后車(chē)刀反裝。兩把車(chē)刀車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的徑向切削力相互抵消。工件受力變形和振動(dòng)小，加工精度高，適用于批量生產(chǎn)。
    采用磁力切削法車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸
    磁力切削法的原理與反向切削法原理基本相同。在車(chē)削過(guò)程中，細(xì)長(zhǎng)軸由于受到磁力拉伸的作用，可以減少細(xì)長(zhǎng)軸加工時(shí)的彎曲變形，提高細(xì)長(zhǎng)軸加工精度。
3) 合理地控制切削用量
    切削用量選擇的是否合理，對(duì)切削過(guò)程中產(chǎn)生的切削力的大小、切削熱的多少是不同的。因此對(duì)車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)引起的變形也是不同的。
切削深度(t)
    在工藝系統(tǒng)剛度確定的前提下，隨著切削深度的增大，車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的切削力、切削熱隨之增大，引起細(xì)長(zhǎng)軸的受力、受熱變形也增大。因此在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，應(yīng)盡量減少切削深度。
進(jìn)給量(f)
    進(jìn)給量增大會(huì)使切削厚度增加，切削力增大。但切削力不是按正比增大，因此細(xì)長(zhǎng)軸的受力變形系數(shù)有所下降.如果從提高切削效率的角度來(lái)看，增大進(jìn)給量比增大切削深度有利。
切削速度(v)
    提高切削速度有利于降低切削力。這是因?yàn)椋�隨著切削速度的增大，切削溫度提高，刀具與工件之間的摩擦力減小，細(xì)長(zhǎng)軸的受力變形減小。但切削速度過(guò)高容易使細(xì)長(zhǎng)軸在離心力作用下出現(xiàn)彎曲，破壞切削過(guò)程的平穩(wěn)性，所以切削速度應(yīng)控制在一定范圍。對(duì)長(zhǎng)徑比較大的工件，切削速度要適當(dāng)降低。
4) 選擇合理的刀具角度
    為了減小車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸產(chǎn)生的彎曲變形，要求車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的切削力越小越好，而在刀具的幾何角度中，前角、主偏角和刃傾角對(duì)切削力的影響最大。
前角(γ)
    其大小直接著影響切削力、切削溫度和切削功率.增大前角，可以使被切削金屬層的塑性變形程度減小，切削力明顯減小。
    增大前角可以降低切削力，所以在細(xì)長(zhǎng)軸車(chē)削中，在保證車(chē)刀有足夠強(qiáng)度前提下，盡量使刀具的前角增大，前角一般取γ=15°。
主偏角(kr)
    其大小影響著3個(gè)切削分力的大小和比例關(guān)系。隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，切向切削力在60°～90°時(shí)卻有所增大。在60°～75°范圍內(nèi)，3個(gè)切削分力的比例關(guān)系比較合理。在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，一般采用大于60°的主偏角。
    刃傾角(λs)傾角影響著車(chē)削過(guò)程中切屑的流向、刀尖的強(qiáng)度及3個(gè)切削分力的比例關(guān)系。隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。刃傾角在-10°～+10°范圍內(nèi)，3個(gè)切削分力的比例關(guān)系比較合理。在車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，常采用正刃傾角+3°～+10°，以使切屑流向待加工表面。
3 結(jié)論
    細(xì)長(zhǎng)軸的車(chē)削加工是機(jī)械加工中比較常見(jiàn)的一種加工方式。由于細(xì)長(zhǎng)軸剛性差，車(chē)削時(shí)產(chǎn)生的受力、受熱變形較大，很難保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量要求。通過(guò)采用合適的裝夾方式和先進(jìn)的加工方法，選擇合理的刀具角度和切削用量等措施，可以保證細(xì)長(zhǎng)軸的加工質(zhì)量要求